Zavod sv. Stanislava

Škofijska klasična gimnazija

Pametna soba

Povezava elektronskih naprav v moji sobi z omrežjem

Maturitetna seminarska naloga iz Informatike

Kandidat: Andraž Novak

Mentor: Helena Starc Grlj

Vodice, februar 2017

Pametna soba

2

Povzetek V tej maturitetni seminarski nalogi sem napisal kodo za upravljanje elektronskih naprav

preko wifi omrežja in te naprave povezal na način, ki mi omogoča njihovo upravljanje.

Abstract I have written a code for controlling electronic devices over wifi. I have also connected

these devices, so I can actually control them.

Ključne besede Programiranje, Arduino IDE, nodeMCU, websockets, javascript, C++

Pametna soba

3

Kazalo

Povzetek................................................................................................................................. 2

Abstract .................................................................................................................................. 2

Ključne besede ....................................................................................................................... 2

Kazalo .................................................................................................................................... 3

1 Uvod ................................................................................................................................ 4

2 Teoretična rešitev ............................................................................................................ 5

3 Praktična rešitev .............................................................................................................. 6

3.1 Strežnik .................................................................................................................... 6

3.1.1 Koda .................................................................................................................. 6

3.1.2 Vzpostavitev strežnika ...................................................................................... 7

3.1.3 Spletni vmesnik .............................................................................................. 10

3.2 NodeMCU .............................................................................................................. 11

3.2.1 Oddajnik ......................................................................................................... 11

3.2.2 Sprejemnik ...................................................................................................... 14

4 Sklep .............................................................................................................................. 17

4.1 Strnjena vsebina naloge ......................................................................................... 17

4.2 Ocena rešitve .......................................................................................................... 18

4.3 Odprta vprašanja .................................................................................................... 19

5 Viri in literatura ............................................................................................................. 21

Pametna soba

4

1 Uvod Z vse večjo dostopnostjo in podprtostjo povezave wifi, se veliko izdelovalcev električnih

naprav odloča, da zmožnost povezovanja vključijo v svoje naprave in jim s tem do določene

mere povečajo uporabnost. Bolj kot to pa naredijo naprave bolj priročne za uporabo, saj jih v

veliko primerih uporabnik lahko upravlja na daljavo. Nekatere imajo funkcijo, da uporabniku

sporočijo podatke o stanju te naprave ali okolice naprave.

Vse to mi je zelo fascinantno in se velikokrat sprašujem, kako jim to uspeva. Zato sem se

tudi sam poglobil v to. Meni najbližja metoda je, da bi kupil eno napravo in se z njo igral

toliko časa, dokler ne bi razumel, kako to dejansko deluje. Tokrat pa sem se odločil, da bom

naredil nekaj, kar sicer že obstaja, ampak s funkcijami, ki bodo zadovoljile moje potrebe.

Za začetek bom naredil sistem za upravljanje luči v svoji sobi. Gradil ga bom na platformi

pod imenom nodeMCU, ki temelji na platformi ESP8266. ESP8266 je izum podjetja Espressif

in je najcenejši zelo zmogljiv sistem za povezavo z internetom. NodeMCU pa je sestavljen iz

modula ESP8266 in prevajalnika iz signala USB v TTL, kar pomeni, da ga lahko direktno

priključimo preko vmesnika USB in nanj naložimo kodo. V izvirniku naj bi nanj naložili kodo

v programskem jeziku LUA, ki ga ne znam, na srečo pa obstaja možnost uporabe jezika C++

in tolmača Arduino IDE.

Za komunikacijo med strežnikom in NodeMcu-jem bom uporabljal protokol websockets, o

katerem bom govoril v teoretičnem delu.

Strojna oprema Programska oprema

Intel i7-4770 @3,40GHz Windows 8.1

16GB ram Arduino IDE

Nvidia gtx-760 Node.js

512GB SSD

Pametna soba

5

2 Teoretična rešitev Moja celotna seminarska naloga je osnovana okoli protokola websockets. To je protokol, ki

se je razvil iz protokola http. Razlog za njegov nastanek je bila potreba po hitri dvosmerni

komunikacijami med klientom in strežnikom. Takrat je http omogočal nekaj podobnega,

ampak je bilo zelo nepraktično, saj se je morala celotna spletna stran ponovno naložiti, tudi če

bi spremenili le eno številko na celotni strani. To je bilo zelo zamudno in potreba je klicala po

boljši rešitvi tega problema. Tako je nastal protokol websocket. Od protokola http se razlikuje

po tem, da se povezava po začetnem prenosu informacij ne zapre, ampak ostane odprta, kar

omogoča (glede na hitrost omrežne povezave) osveževanje informacij tudi več stokrat na

sekundo. Najbolj pogosta uporaba takšnega protokola je napoved pisanja, ko nam google

search že med pisanjem ponudi možna iskana gesla. Za to potrebuje izjemno hitro povezavo,

ki jo omogoča ta protokol. V mojem projektu hitrost ni ključnega pomena, ampak je to kar

lahek način za rešitev problema. Omogočiti želim tudi kontrolo preko spletne strani. Ta

protokol mi omogoča hitro in relativno lahko rešitev tega.

Strežniško stran za posredovanje podatkov preko websocketov se običajno piše v jeziku

javascript, program ki izvršuje to kodo pa se imenuje Node.js.

Za delovanje tega je potrebna tudi strojna oprema. Ker si želim, da bi sistem deloval 24ur

na dan, si ne morem privoščiti, da bi bil računalnik vedno prižgan. Zato bom koristil rešitev

Amazon Web Services, ki med drugimi stvarmi omogoča, da ima uporabnik na njihovi strojni

opremi virtualni računalnik, ki je ob najbolj osnovni konfiguraciji (kar je za moj projekt več

kot dovolj) za 750 ur na mesec za 12 mesecev prižgan brezplačno. Seveda vsak virtualni

računalnik dobi svoj IP naslov.

Same kliente pa bom programiral v jeziku C++, ki se ga najbolj pogosto uporablja za

programiranje platforme z imenom Arduino in omogoča dobro povezovanje fizičnega sveta s

programskim. V tem jeziku sem malo bolj vešč, ampak je programiranje naprav, ki se

povezujejo na internet zame še neznano.

Torej, same kliente, na katere bodo priklopljeni aktuatorji in senzorji bom programiral v

jeziku C++, ti klienti bodo preko interneta s protokolom websocket komunicirali z

Amazonovimi strežniki, na katerih bo virtualni računalnik, ki bo poganjal program Node.js,

na katerem se bo izvajala koda napisana v jeziku javascript.

Pametna soba

6

3 Praktična rešitev

3.1 Strežnik

Del tega projekta je strežnik, ki vedno obratuje v ozadju. Ima več nalog:

-Sprejme podatke z oddajnika ali spletnega vmesnika,

-Pošlje podatke prejemniku

-Na zahtevo pošlje html datoteko, ki služi kot spletni vmesnik

-Je vedno na voljo

3.1.1 Koda

Koda je napisana v jeziku javascript.

Tukaj je koda, ki sprejme povezavo z oddajnika, čaka na sporočila in jih potem posreduje na

sprejemnik in je shranjena kot index.js.

Slika 1: Koda websocket stežnika

Pametna soba

7

Tukaj je koda, ki čaka na zahtevek na povezavo in pošlje datoteko html, ki služi kot spletni

vmesnik.

3.1.2 Vzpostavitev strežnika

Prvi korak je, da poskrbim, da strežnik dejansko obstaja. To mi je uspelo s storitvijo Amazon

Web Services, ki omogoča, da uporabnik zakupi del strežnika in ima na njem virtualni

računalnik s svojim IP naslovom in vsemu kar paše k računalniku.

Kreacija novega virtualnega računalnika je relativno enostavna. V konzoli na spletni strani

Amazon Web Services sem izbral EC2 in sledil čarovniku. Na koncu postopka sem dobil

poseben ključ, ki sem ga shranil. Pozoren sem bil, ko sem nastavljal varnost, pustiti sem

moral, da je ta virtualni računalnik dosegljiv na pravilnih vratih. Za potrebe svojega projekta

sem dodal vrata 80 in 9000.

Slika 2: Koda strežnika za spletni vmesnik

Slika 3: Pravila za povezavo na strežnik

Pametna soba

8

Virtualnemu računalniku je treba določiti tudi statičen IP naslov, ker je treba povsod

definirati, kam naj se klienti povezujejo, ampak če strežnik ugasnem in prižgem nazaj, se IP

strežnika spremeni, kar pa ni ugodno za preostalo kodo, ki sem jo napisal. To se da urediti s

funkcijo »Elastic IPs«. Postopek je zelo enostaven. Pritisnil sem na gumb »Allocate new

adress« in IP se je avtomatično rezerviral. Ta IP naslov sem povezal z ustvarjenim virtualnim

računalnikom tako, da sem ga označimil, kliknil na gumb »actions« in pod zavihkom

Networking pritisnil »Associate Elastic IP Adress« in označiil ustvarjen IP naslov.

V to virtualno napravo sem se prijavil preko protokola SSH s programom Putty. V

programu PUTTYgen sem najprej pretvoril ključ za povezavo iz oblike .pem v obliko .ppk.

Potem pa sem se v programu PUTTY prijavil z uporabniškim imenom Ubuntu, svojim

ključem v obliki .ppk in IP naslovom, ki sem ga našel v konzoli AWS.

Ko sem se prijavil, se mi je pojavil terminal mojega strežnika. Vanj sem vpisal ukaze, ki

jih je izvadel.

Najprej je izvedel te ukaze, da se je sistem posodobil:

sudo apt-get update

sudo apt-get install libssl-dev g++ make

Slika 4: Primer izpolnitve obraca v progrmu PUTTY

Pametna soba

9

Ker moj strežnik poganja program node.js, sem ga naložil:

curl -sL https://deb.nodesource.com/setup_7.x | sudo -E bash -

sudo apt-get install -y nodejs

Naložil sem še podporo za websockete:

npm install websocket

Na koncu sem naložil še program, ki bo samodejno odprl proces, če se zaradi kateregakoli

vzroka ustavi:

sudo npm install forever –g

Moj strežnik sedaj deluje in se mi z njim ni več treba ukvarjati. Kodo pa sem na svoj

virtualni računalnik prenesel s programom filezilla. V programu sem najprej pritisnil

CTRL+S, potem pa sem pojavno okno izpolnil na podoben način kot v programu PUTTY. Ko

sem se povezal, sem skopiral datoteke na virtualni računalnik in zaprl program.

Ko sem na strežnik naložili še kodo mojega strežnika, sem jo pognal takole:

forever --minUptime 1 –spinSleepTime 1 start index.js

forever --minUptime 1 –spinSleepTime 1 start wbs.js

Pametna soba

10

3.1.3 Spletni vmesnik

Ker želim luči upravljati tudi preko internetnega brskalnika, sem napisal še precej osnovno

spletno stran, ki mi to omogoča. V glavi datoteke sem napisal kodo za povezavo na websocket

strežnik in funkcijo za pošiljanje podatkov nanj. V telo te strani pa sem napisal kodo za nekaj

drsnikov. Tukaj sem moral biti pozoren, da sem nastavil pravilne vrednosti, ki se potem

pretvorijo v svetlost na pravilni luči v sobi. Pametno je dodati tudi avtorizacijo, ampak sem jo

za enkrat spustil.

Tako pa izgleda grafični vmesnik za nastavljanje svetlosti luči.

Slika 6: Koda spletnega vmesnika

Slika 5: Izgled spletnega vmesnika

Pametna soba

11

3.2 NodeMCU

Povezava projektov na internet je bila dolgo zamudno in drago opravilo, dokler ni podjetje

Espressif ustvarilo čipa pod imenom ESP8266. Dobre lastnosti tega čipa so to, da je majhen,

poceni, ima precej priključkov, ogromno procesorske moči in ima povezavo WI-FI. Nek tretji

proizvajalec pa je ta čip opremil še z izjemnimi razvijalskimi možnostmi, dal vse to na kos

tiskanega vezja in poimenoval NodeMCU. To rešitev uporablja moj projekt. Izvorno se ga

programira v programskem okolju Lua, ki ga ne znam, obstaja pa možnost z programiranje v

programskem okolju Arduino IDE, ki pa mi je precej blizu.

3.2.1 Oddajnik

Luči potrebujejo daljinec za upravljanje. Naredil sem ga z nekaj ostanki pleksi stekla,

potenciometrom, nekaj žice in nekaj stikali. Napajanje zagotavlja usb priključek.

Pri pisanju kode sem moral upoštevati, da ima NodeMCU samo en analogni vhod, želim

pa nastavljati vrednosti za tri različne luči. Rešitev se skriva v tem, da sem na daljinec dal šest

stikal. Program bere katero stikalo je prižgano in glede na to pošilja podatke. Moral pa sem še

Slika 7: NodeMCU

Slika 8: Daljinec

Pametna soba

12

ugotoviti, kako najlažje določiti, katero stikalo je bilo pritisnjeno ko je daljinec poslal

podatke, da lahko sprejemnik spremeni osvetlitev pravilne luči. To sem naredil tako, da sem

vrednosti iz potenciometra prištel 10000 za prvo stikalo, 20000 za drugo in tako dalje.

Sprejemnik tako le preveri če je prejeta številka nekje med 10000 in 20000 in ve, da mora

spremeniti osvetljenost luči pri mizi. Od prejete vrednosti še odšteje 10000 in ve na koliko

mora spremeniti vrednost.

Med testiranjem sem tudi ugotovil, da strežnik slabo prenaša preveč sporočil naenkrat, zato

sem omejil število sporočil poslanih na sekundo na 4. To sem dosegel z ukazom delay(250);

Tukaj je koda, ki sem jo naložil nanj.

Slika 9: Prvi del kode daljinca

Pametna soba

13

Slika 10: Drugi del kode daljinca

Pametna soba

14

3.2.2 Sprejemnik

Naloga sprejemnika je, da čaka na sporočila, jih dekodira in glede na to prižge luči na

določeno vrednost. Izdelal sem ga iz plastične škatle in nekaj osnovnih električnih

komponent. Nanj sem priklopil 12V, 60W napajalnik, ki naj bi zadostoval za napajanje teh

luči.

Pri programiranju sprejemnika sem upošteval enak protokol kot pri oddajniku. Sprejemnik

torej sprejme sporočilo, ugotovi v katero kategorijo velikosti spada in glede na to odreagira.

Torej recimo da sprejemnik prejme sporočilo 10100. Najprej ugotovi, da je večji od 10000 in

manjši od 20000. Potem pa sporočilu odšteje 10000 in dobljeno vrednost kvadrira. Kvadrira

pa zato, ker je tako razlika med obratom potenciometra in osvetljenostjo prostora manjša. Če

pa dobi vrednost, ki je med 50000 in 60000 pa ne določi svetlosti glede na sprejeto vrednost,

ampak glede na že prej nastavljene vrednosti. V tem primeru imam nastavljeno idealno

nastavitev za branje knjig v postelji. Podobno se zgodi tudi, če dobi vrednost nekje med

60000 in 70000, le da v tem primeru nastavi osvetlitev na precej manjšo vrednost, saj je to

nočna luč. Tukaj je koda.

Slika 11: Sprejemnik in krmilnik luči

Pametna soba

15

Slika 12: Prvi del kode sprejemnika

Pametna soba

16

Slika 13: Drugi del kode sprejemnika

Pametna soba

17

4 Sklep

4.1 Strnjena vsebina naloge

Cel sistem deluje preko protokola websockets, ki omogoča spontano dvosmerno

komunikacijo med uporabnikom in strežnikom. To pri meni služi kot prenašalec sporočil od

uporabnika do sprejemnika, ki nato osvetli luči na želeno svetlost.

Podatke na sprejemnik lahko pošiljam na dva načina. Eden je z daljincem, drugi pa je s

spletnim vmesnikom. Sprejemnik je vedno buden in preko wi-fi omrežja povezan na internet

in čaka na podatke. Vedno je buden tudi strežnik, ki čaka na sporočila. Ko prižgem daljinec,

se najprej poveže z internetom, nato pa še s strežnikom, ki je odgovoren za prenos sporočil.

Potem nastavim potenciometer na želeno vrednost in pritisnem na enega od šestih gumbov.

Daljinec zazna vrednost na potenciometru in kateri gumb sem pritisnil. Glede na pritisnjen

gumb, program vrednosti potenciometra prišteje ustrezen celoštevilski večkratnik števila

10000. To služi kot koda, ki pove sprejemniku, za katero luč je vrednost iz potenciometra

namenjena. Ko to ugotovi, odšteje prišteto vrednost in dobljeni rezultat, ki je enak prebrani

vrednosti iz potenciometra, kvadrira in glede na kvadrat določi eno vrednost med 0 in 1023

(luči imajo 1024 stopenj svetlosti). Kvadrira pa zato, ker se tako našim očem zdi naraščanje

svetlosti bolj linearno.

Sprejemnik nastavlja svetlost z uporabo PWM signala, ki bi z multimetrom izgledal kot

spreminjajoča se napetost, v resnici pa je to hitro prižiganje in ugašanje električnega toka.

Seveda je signal iz NodeMCU-ja prešibak, da bi napajal luči, zato sem v vezje vključil

tranzistorje, ki 3,3V signal spremenijo v 12V do 60W signal. Po specifikacijah proizvajalca,

naj bi moje luči proizvedle približno enako jakost svetlobe kot 600W halogenska žarnica,

ampak po mojih ocenah je ta številka bliže 250W, kar je še zmeraj precej.

Upravljanje s spletnim vmesnikom je precej podobno. Ko se brskalnik skuša povezati na IP

naslov strežnika, to strežnik zazna in kot odgovor pošlje html datoteko, v kateri je preprosta

skripta, ki se poveže na websocket strežnik in ko na drsniku nastavimo vrednost, pošlje

številko na strežnik, od tam naprej pa je postopek isti kot pri daljincu.

Pametna soba

18

4.2 Ocena rešitve

Cilj naloge je dosežen. V sobi imam z internetom povezane luči, ki jih lahko upravljam z

daljincem ali pa s telefonom iz kjerkoli na svetu. Možnosti za dodajanje funkcij so seveda

odprte. Lahko bi dodal termometer, da bi vedel, kako toplo je v moji sobi, ali pa senzor, če je

okno odprto. Lahko bi nastavil, naj se mi luči prižigajo takrat ko se zbujam, da bi se zbudil po

malo bolj naravni poti- s sončnim vzhodom. Možnosti so definitivno odprte.

Poraba časa

Pridobivanje podatkov

Pisanje kode

Izdelava daljinca in sprejemnika

Pisanje dokumentacije

Pametna soba

19

4.3 Odprta vprašanja

Pustil sem tudi nekaj možnosti za izboljšavo takšnega sistema, kot ga imam sedaj.

-Lepotne izboljšave so področje, na katerem bi lahko še precej naredil. Vezja niso na

tiskanem vezju, ampak so komponente prilepljene na ohišje sprejemnika in daljinca. Luči so

narejeno precej na hitro in vidi se, da sem bil zelo omejen z materialom in z orodjem. Lahko

bi kupil tudi malo lepše kable, saj imam trenutno po sobi napeljane črno-rdeče žice, ki niso

paša za oči.

-Varnostne izboljšave so nekaj, v kar se bom sigurno poglobil. V tem trenutku se lahko vsak

poveže na moj websocket strežnik, nekaj časa opazuje poslane podatke in potem začne

pošiljati svoje podatke. Vsak ki ima IP naslov mojega strežnika, lahko prav tako le tega vpiše

v spletni brskalnik in se mi v sobi nastavlja svetlost luči po mili volji.

Pametna soba

20

-Izboljšal bi lahko tudi uporabnost cele stvari. Dodal bi lahko zatemnjevanje in počasno

prižiganje luči, kar bi bilo zelo uporabno, ampak mi zaradi neznanega razloga to ne deluje.

Daljincu bi lahko dodal baterije, da bi ga lahko uporabljal brez da bi bil z USB priključkom

povezan na napajalnik.

Pametna soba

21

5 Viri in literatura

Neznani avtor: WebSocket Server and Client for Arduino (online). [Uporabljeno

19.2.2017] Dostopno na: https://github.com/Links2004/arduinoWebSockets

_C1D: So you want to setup a socket.io server on EC2 (online). [Uporabljeno 16.2.2017]

Dostopno na: http://c-1-d.tumblr.com/post/43307121272/so-you-want-to-setup-a-socketio-

server-on-ec2

Neznan avtor: How to Setup Node and Express on Amazon Web Services EC2 (online).

[Uporabljeno 20.2.2017] Dostopno na: https://www.youtube.com/watch?v=WxhFq64FQzA

Alma, P.: Assign a fixed IP to AWS EC2 instance (online). [Uporabljeno 22.2.201]

Dostopno na: https://pragmaticintegrator.wordpress.com/2012/12/13/assign-a-fixed-ip-to-

aws-ec2-instance/

Neznan avtor: Websocket (online). [Uporabljeno 5.2.2017] Dostopno na:

https://en.wikipedia.org/wiki/WebSocket